Tiene un átomo de espesor y promete ser el material del futuro.

El grafeno, la nueva revolución de los materiales tecnológicos. Imagina un teléfono celular que se dobla y lo puedes llevar como pulsera, que su batería se carga en 16 segundos y, además, es biodegradable. Piensa en un coche mucho más ligero y resistente, pintado con un compuesto que absorbe la luz solar y la transforma en energía eléctrica. Fantasea con una cámara que puede tomar una imagen en un ambiente casi oscuro sin usar flash, o con un marcapasos al que nunca hay que cambiarle las pilas. En el centro de todas estas promesas de tecnología está el grafeno, material que provoca revuelo en laboratorios científicos y empresas de innovación de todo el mundo, porque se le mira como el protagonista de la nueva revolución tecnológica.

El grafeno se integra por átomos de carbono, ordenados de tal manera que forman una malla hexagonal, y con un solo átomo de espesor, explica al teléfono Gerardo García Naumis, investigador del Instituto de Física de la UNAM. “Su chiste está en que es el material más delgado del mundo, muy flexible y casi irrompible, ya que es de la misma familia de materiales que el diamante; conduce la electricidad mejor que el arseniuro de galio y el calor, mejor que la plata”.

Con semejante hoja de vida, no es extraño que centros de investigación y empresas hayan puesto grandes esperanzas en él. Naumis, por ejemplo, experimenta en cómo utilizarlo “para hacer transistores, contaminándolo químicamente para que se convierta en un semiconductor, o en cómo se puede deformar para alterar sus propiedades electrónicas”.

Justo en esta idea también trabaja Andre Geim, el ruso que, junto con su compatriota Konstantin Novoselov, sintetizó en 2004 este material por primera vez para, solo seis años después, recibir el Premio Nobel de Física.

Experimento de viernes

El carbono es el pilar de la química orgánica. Cuando se organiza en capas bidimensionales unidas en forma muy débil entre sí, se obtiene el grafito, material que está en el corazón de los lápices. Fue justo con grafito como los investigadores Geim y Novoselov comenzaron a investigar en la Universidad de Manchester, Reino Unido.

Los dos investigadores y otros tenían lo que llamaban “los experimentos de los viernes”, una suerte de ideas poco ortodoxas y difíciles de justificar en el presupuesto de una institución científica, las cuales realizaban cuando las labores normales habían llegado a su fin. Gracias a esta técnica de trabajo Geim ganó, en el año 2000, un IgNobel —parodia del famoso galardón y que premia lo inusual en la ciencia— por hacer levitar magnéticamente a una rana.

Durante uno de esos viernes de experimentos, Geim propuso buscar en el grafito, tratando de hallar un metal lo más fino posible. Novoselov, entonces estudiante de posgrado, tuvo la idea de usar, en un laboratorio de alta tecnología, un método rudimentario: con una cinta adhesiva, fueron quitando capas de grafito, pegando y tirando, como si depilaran la muestra. En la cinta quedaban láminas de material, que depositaban sobre óxido de silicio y estudiaban con el microscopio.

El grafeno, la nueva revolución de los materiales tecnológicosMucho antes de los experimentos de Geim y Novoselov, ya se teorizaba sobre las propiedades del grafeno. En 1947, el canadiense y físico teórico Philip Russell Wallace publicó el artículo “The band theory of graphite”; Russell trabajaba en teorías de reacciones nucleares y las propiedades de materiales relevantes como el grafito. Sin embargo, para la comunidad científica la existencia del grafeno era imposible ya que, de aislar una sola capa, sería defectuosa y débil. “Antes se pensaba que los cristales bidimensionales no podían existir debido a su inestabilidad termodinámica”, comenta Guillermo Orts-Gil, coordinador del Nano-grupo en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases en Golm, Alemania.

Por eso la sorpresa de Geim y Novoselov fue mayúscula al encontrar, mientras miraban por el microscopio, monocapas y bicapas de grafeno que no eran inestables a temperatura ambiente y, además, tenía una conductividad eléctrica 100 veces más rápida que el silicio. La revista Nature rechazó publicar sus hallazgos. Según dijo Geim en su discurso de aceptación del Nobel, no consideraron “que constituyera un avance científico suficiente”.

Guillermo Orts-Gil resalta que “es importante discernir bien lo que es estrictamente grafeno: una sola capa de átomos de carbono. Y con lo que se trabaja normalmente tiene de tres a cien capas de grafeno, ya que las propiedades de unos y otros pueden ser sustancialmente diferentes… Además hay que tener en cuenta que no representa aún una revolución tecnológica real”.

El investigador Orts-Gil pone como ejemplo el caso de los nanotubos de carbono, material sobre el que se han publicado varios artículos y que, junto con el grafeno y los fulerenos, moléculas de carbono en forma de balón de futbol, forman lo que podríamos llamar la trilogía del “nuevo carbono”.

“Hubo muchas empresas que empezaron a producir nanotubos de carbono en toneladas antes de que existiera realmente un mercado que demandara su uso, y esto hizo que algunas de esas empresas quebraran y que se generara descontento con los nanotubos de carbono”, asegura Orts-Gil. “Deberían aprender de esto y no cometer los mismos errores que se tuvieron con el grafeno. Si va a ser una revolución, es algo que está por verse, con el gran proyecto europeo Graphene Flagship”.

Buque insignia

El proyecto Graphene Flagship, lanzado a finales de 2013, es pionero en el panorama científico europeo. Por primera vez en la historia de Europa, más de 150 organizaciones de todo el continente trabajarán de manera coordinada en un consorcio para impulsar, en la misma dirección, el desarrollo del grafeno y su paso del laboratorio a la fábrica. El proyecto cuenta con un presupuesto de unos mil millones de euros (alrededor de 1,350 millones de dólares), para la próxima década; la suma es aportada por la Unión Europea, que también financió el año de trabajo previo que se requirió para ponerlo en marcha.

“No me gusta la expresión ‘material milagro’, ya que necesitamos ser honestos y realistas acerca del grafeno y cualquier tecnología basada en él”, advierte al teléfono Andrea Ferrari, de la Universidad de Cambridge, Reino Unido, y presidente del consejo ejecutivo de Graphene Flagship.

Formado por 16 miembros tanto de la academia como del mundo empresarial, su cometido es dibujar la hoja de ruta, decidir dónde se invertirá el dinero y asegurar que todos remen en la misma dirección. Prueba de la versatilidad del grafeno es que el proyecto se divide en 16 áreas de interés. “Es cierto que es un material único y el que tiene mayor potencial, pero este todavía tiene que ser logrado y necesitamos trabajar duro —concede Ferrari—. Estamos al principio del camino, no al final”.

Ferrari considera posible que durante los próximos cinco años “[van] a ver aplicaciones interesantes como dispositivos interactivos que, además sean flexibles, baterías y supercondensadores, además de polímeros y hasta membranas para filtración de agua”. Según su vaticinio, en diez años comenzaríamos a ver “ópticas y telecomunicaciones, fotones y láseres…. todos esos aspectos en los que la luz interactúa con el grafeno”. Si nos vamos al plazo de 20 años, Ferrari cree que veremos “nuevos transistores o sistemas similares”, descubrimientos aplicables a la informática.

En los primeros campos descritos por Ferrari ya existen patentes y prototipos. Hace unos meses, el doctor Santhakumar Kannappan, del Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología de Corea del Sur, anunció que habían logrado construir un supercondensador de grafeno, el cual se puede cargar en 16 segundos, con la misma capacidad que una batería de iones de litio.

Cada vez se escuchan más anuncios de nuevos plásticos y metales con un tanto por ciento de grafeno; además, ya existe una raqueta que usa la versión menos pura del material para distribuir el peso de una manera más eficiente. En otras áreas como la aeronáutica los avances son mucho más lentos; allí el grafeno supondría una verdadera revolución al lograr aligerar los aparatos y con ello su consumo de combustible.

Hasta ahora, es la industria de los teléfonos inteligentes —un campo que movió 264,000 millones de dólares en 2013— la que está provocando un interés comercial más evidente y la que concentra la mayoría de las más de 7,000 patentes sobre grafeno que se han registrado en los últimos años.

Un informe de la Intellectual Property Office de la corona británica, publicado en marzo de 2013, señala que China encabeza el número de patentes; pero es Europa en donde se produce más conocimiento básico.

La empresa surcoreana Samsung es una de las grandes en este juego. A principios de 2014 patentó una pantalla táctil flexible de grafeno; para ello, en colaboración con la Universidad de Sungkyunkwan, utilizó un nuevo método para sintetizar una larga pieza del material en una sola capa. Lo habitual para crear una pieza grande es unir pequeñas partes de grafeno, como un mosaico. Nokia, por su parte, ha desarrollado unas baterías flexibles utilizando material desarrollado por Graphenea. Esta empresa vasca, fundada en 2009 por Jesús de la Fuente, antiguo consultor en PricewaterhouseCoopers, suministra material a los socios de Graphene Flagship: “Nuestros clientes son departamentos de I+D de grandes empresas como Philips, Intel, IBM, Canon… y también universidades y centros de investigación”, explica De la Fuente por teléfono.

Con una inversión inicial de tres millones de euros, ahora tiene 12 empleados y en 2013 facturó unos 370,000 euros, cifra que piensan duplicar en 2014. “El mercado del grafeno es todavía pequeño”, resalta desde su visión comercial.
Su empresa sintetiza grafeno por dos medios. Una es la exfoliación química, con la que a partir de grafito logran óxido de grafeno, usado como aditivo en plásticos o resinas.

También publican sus propios artículos, como en el que demostraron que si a los materiales cerámicos usados para prótesis o piezas de naves espaciales “les añades un 0.2% de óxido de grafeno logras mejorar sus propiedades mecánicas un 40 por ciento”.

El otro medio para sintetizar el grafeno es la deposición química de vapor, que utiliza gas metano. “Con esta técnica hacemos láminas de altísima pureza, que se usan para las aplicaciones más avanzadas como sensores, electrónica, biomembranas…”, explica De la Fuente. Esta versión del grafeno siempre necesita un soporte y en el caso de Graphenea optaron por un sustrato muy conocido y bien caracterizado: el silicio.

De la Fuente pone como ejemplo el silicio para, como el resto de los entrevistados, bajar los humos sobre el grafeno: “El silicio necesitó 20 años para llegar al mercado; la fibra de carbono requirió 40. Cuando se publica un artículo científico, con algún avance, la gente cree que podrá ir al supermercado al día siguiente y comprarlo; eso puede generar frustración… A raíz del Premio Nobel (otorgado a los creadores del grafeno) se ha generado mucha expectación”.

Tormentas a la vista

Justo ese paso, el de llevar del laboratorio a la fábrica, es donde se prevé que estará el mayor escollo en el camino que debe recorrer el grafeno. El nuevo material es “relativamente bueno en el laboratorio; si quiero crear algo la mayoría de las veces tengo éxito —asegura Ferrari—, el problema es que ir desde allí a la industria es diferente”.

Andrea Ferrari, presidente del consejo ejecutivo de la Graphene Flagship, pone como ejemplo los prototipos de dispositivos flexibles que se anuncian como funcionales, pero “si miras con detalle, no todos los pixeles funcionan. En la universidad no es un problema, pero si eres un cliente no vas a comprar un dispositivo en el que funcionen la mitad de los pixeles”.

El físico mexicano Mauricio Terrones, especialista en nuevos materiales e investigador de la Universidad Estatal de Pensilvania, explica que ese es el problema del grafeno y de cualquier material que se produce a nanoescala: no es nada fácil su producción a nivel industrial. “Cuando bajas las dimensiones, te enfrentas a problemas técnicos. Es más fácil controlar la calidad de un material macro que de un material micro”.

Otro de los retos será simplificar los procesos para sintetizar grafeno. “No es que sea complicado de hacer, pero la técnica más común usa el cobre como sustrato y necesitas calentarlo a 1,000 grados. Todo eso es muy caro—explica Andrea Ferrari—. Por eso aproximaciones diferentes son muy interesantes, aunque el grafeno que logres tenga menor calidad”.

En el Centre for Research on Adaptative Nanostructures and Nanodevices (CRANN), del Trinity College, en Dublin, han desarrollado un método en el que usan grafito en polvo y un líquido exfoliante, mezclándolos a gran velocidad en una batidora, para producir grandes cantidades.

“La producción en masa de grafeno generalmente necesita materiales complicados y contaminantes o reacciones químicas que, aunque pueden ser corregidos, crean defectos estructurales”, cuenta Keith Paton, investigador en la empresa Thomas Swan, que ha desarrollado una planta piloto de producción en masa de grafeno con esta tecnología y ya venden su producción.

“En nuestro proceso, el grafeno es exfoliado por la rotación del líquido, que es la que aplica la fuerza sobre el grafito, como si fuera una baraja de cartas de donde vas sacando una a una”, destaca Keith Paton.

Nuevos retos

Otro de los grandes asuntos, tanto que hasta el gran programa europeo Graphene Flagship le dedica en exclusiva uno de sus apartados, es el de la salud y el medio ambiente. Un par de estudios, uno de la Universidad de Brown y otro de la Facultad de Ingeniería Riverside Bourns de California, apuntan en esta dirección.

El primero, elaborado por biólogos, ingenieros y científicos de materiales, señala que las “esquinas afiladas y las protuberancias dentadas en los bordes del grafeno pueden entrar fácilmente en las membranas de las células y alterar su funcionamiento normal”.

El segundo estudio, que investiga el comportamiento en el agua del óxido de grafeno —ese material que se usa como aditivo en polímeros—, concluye que tiene una gran movilidad y puede causar problemas medioambientales si hay un derrame.

“La preocupación por los posibles riesgos para la salud y el medio ambiente provienen del hecho de que, muchas veces, lo que tenemos son pequeñas láminas de grafeno, llamadas en inglés nanoplatelets. Y eso entra en un campo que se conoce como nanotoxicología. Al ser un campo relativamente nuevo, sin estandarización, genera una gran cantidad de información pero que es difícilmente comparable”, explica Orts-Gil.

“De momento se acepta que las nanopartículas son seguras mientras estén atrapadas en una matriz sólida de la que no se pueden escapar, como un plástico —asegura el coordinador del Nano-grupo en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfases en Golm, Alemania—. Pero una vez liberadas en el aire o en el agua es más difícil predecir su peligrosidad”.

Ferrari comenta que también se debe tener en cuenta que el grafeno viene del grafito y “todo el mundo que usa un lápiz ha estado en contacto con él. Evidentemente si tomas un pedazo de grafeno y lo inyectas en una célula puede matar, pero también si tomas una pieza de madera y la metes en tu cuerpo, tampoco serás muy feliz”.

Si el grafeno logra superar estos escollos, aún le queda mucho por recorrer. En varias ocasiones, Geim —el Nobel que lo sintetizó hace 10 años— ha reflexionado que no sabe dónde acabará su criatura; qué campos, hoy vistos como prometedores y seguros, pueden no cumplir con las expectativas y otros, en los que nadie había pensado, pueden ser protagonistas de una auténtica revolución.

Mientras, el común de los mortales, sigue esperando al material del futuro que, con un átomo de espesor, la flexibilidad de una goma y la dureza del diamante, amaga con cambiar el mundo.

Fuente: quo.mx/revista-quo

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